机械强度

元素Element	Ni	Cr	Al	Y	其他Others
质量分数 Mass fraction/%	66~67	22.03	10.12	0.95	余量Bal.

元素Element	Ni	Cr	Al	Y	其他Others
质量分数 Mass fraction/%	66~67	22.03	10.12	0.95	余量Bal.

高温抗磨NiCrAlY/Co涂层摩擦磨损性能研究

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杨荣乾 ¹^,²^,³ , 崔功军 ¹^,²^,³ , 尤世泉 ¹^,²^,³ , 冯小刚 ¹^,²^,³ , 刘宇嵩 ¹^,²^,³

机械强度 | 实验研究·测试技术 2025,47(8): 28-35

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机械强度 | 实验研究·测试技术 2025, 47(8): 28-35

高温抗磨NiCrAlY/Co涂层摩擦磨损性能研究

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杨荣乾¹^,²^,³, 崔功军¹^,²^,³, 尤世泉¹^,²^,³, 冯小刚¹^,²^,³, 刘宇嵩¹^,²^,³

作者信息

^1.太原理工大学机械与运载工程学院，太原　030024

^2.山西省矿山流体控制工程实验室，太原　030024

^3.矿山流体控制国家地方联合工程实验室，太原　030024

杨荣乾，男，1998年生，山东济南人，硕士研究生；主要研究方向为机械摩擦学；E-mail：1531348238@qq.com。

通讯作者:

崔功军，男，1981年生，山东淄博人，博士，教授；主要研究方向为机械摩擦学及表面技术；E-mail：cuigongjun@tyut.edu.cn。

Research on friction and wear properties of high temperature anti-wear NiCrAlY/Co coating

Rongqian YANG¹^,²^,³, Gongjun CUI¹^,²^,³, Shiquan YOU¹^,²^,³, Xiaogang FENG¹^,²^,³, Yusong LIU¹^,²^,³

Affiliations

^1.College of Mechanical and Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China

^2.Shanxi Mine Fluid Control Engineering Laboratory, Taiyuan 030024, China

^3.National-Local Joint Engineering Laboratory of Mine Fluid Control, Taiyuan 030024, China

出版时间: 2025-08-15 doi: 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.08.004

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摘要

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为了改善304不锈钢的高温耐磨性能，延长其使用寿命，采用激光熔覆技术在304不锈钢表面制备了高温抗磨NiCrAlY/Co涂层。分析了涂层形貌、物相组成及显微硬度；研究了304不锈钢和NiCrAlY/Co涂层在不同温度（室温~800 ℃）的摩擦学性能，并分析了磨损机制。结果表明，涂层形貌良好，与304不锈钢基底冶金结合；涂层由γ-Co、（Cr，Ni）和AlNi₃相组成；涂层平均显微硬度（303 HV）约为基底硬度（194 HV）的1.6倍；相比基底，涂层在200~600 ℃摩擦因数更小，800 ℃时摩擦因数接近，并且涂层在600 ℃时摩擦因数最低（0.5）；涂层在室温-800 ℃下的磨损率均低于基底，且在400 ℃时磨损率最低［1.91×10^-5 mm³/（N·m）］，约为基底磨损率的1/3，表明NiCrAlY/Co涂层使304不锈钢的高温耐磨性能得到了改善。在中低温下，基底磨损机制主要为磨粒磨损和黏着磨损，NiCrAlY/Co涂层磨损机制主要为磨粒磨损和逐渐轻微的黏着磨损；在800 ℃下，基底的磨损机制为塑性变形和氧化磨损，涂层的磨损机制为氧化磨损。

关键词

304不锈钢 / 激光熔覆 / NiCrAlY/Co涂层 / 高温摩擦学性能

Abstract

收起

In order to improve the high temperature wear resistance and extend its service life of 304 stainless steel, the high temperature wear-resistant NiCrAlY/Co coating was prepared on the surface of 304 stainless steel by the laser cladding.The morphology, phase composition and microhardness of the coating were analyzed.The tribological properties of 304 stainless steel and NiCrAlY/Co coating at different temperatures（the room temperature to 800 ℃) were studied, and the wear mechanism was analyzed. The results show that the coating is metallurgically bonded to the 304 stainless steel substrate; the coating is mainly composed of γ-Co,(Cr, Ni) and AlNi₃ phases; the average microhardness of the coating（303 HV) is about 1.6 times that of the substrate（194 HV); Compared with the substrate, the coating has a smaller friction coefficient at 200-600 ℃,the friction coefficient is comparable at 800 ℃, and the lowest friction coefficient of the coating is 0.5 at 600 ℃.The wear rate of the coating from the room temperature to 800 ℃ is lower than that of the substrate，and the lowest wear rate is 1.91×10^-5 mm³/(N·m) at 400 ℃, which is about 1/3 of the substrate, indicating that the NiCrAlY/Co coating improves the high temperature wear resistance of 304 stainless steel. At medium and low temperatures，the wear mechanism of the substrate is mainly abrasive wear and adhesive wear, and the wear mechanism of the NiCrAlY/Co coating is mainly abrasive wear and gradually slight adhesive wear.At 800 ℃, the wear mechanism of the substrate is plastic deformation, and the wear mechanism of the coating is oxidation wear.

Key words

304 stainless steel / Laser cladding / NiCrAlY/Co coating / High temperature tribological properties

引用本文

杨荣乾, 崔功军, 尤世泉, 冯小刚, 刘宇嵩. 高温抗磨NiCrAlY/Co涂层摩擦磨损性能研究. 机械强度, 2025 , 47 (8) : 28 -35 . DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.08.004

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正文

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0　引言

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304不锈钢因具有加工成型容易、强度高、韧性强、抗腐蚀等优点，在航天航空、医疗器械、车辆船舶等现代化工业中应用广泛；然而其硬度低，高温下耐磨损性能和热循环耐久性差等缺点，导致304不锈钢的使用寿命较短，每年会造成大量经济损失，甚至会导致安全事故^[1-4]。目前，用表面改性技术来改善材料性能是最直接有效的方法^[5-6]。激光熔覆技术因具有高能激光束，熔覆精度和效率高，热影响区小，制备的涂层组织质量优异，与基底结合强度高等优点，已成为应用最广泛的表面改性技术之一^[7-8]。因此，可以采用激光熔覆技术来改善304不锈钢的摩擦学性能，提高其应用的经济性和安全性。ZHANG等^[9]通过激光熔覆技术在304不锈钢表面制备了纯Co涂层，研究发现，涂层的主要物相为γ-Co固溶体，涂层显微硬度为287 HV高于304不锈钢，并且涂层改善了304不锈钢的高温摩擦学性能，但是在600 ℃时，涂层的磨损率较大，达到了3.8×10^-4 mm³/（N·m）。

Co合金具有诸多优异性能，如强度高、硬度高、耐蚀性和耐磨性良好、在较高温下仍然可以保持良好的性能^[10]，因此得到了广泛应用，特别是在各种恶劣工况，如高温、高载下。日益发展的现代化工业，对材料性能的要求变得更加严苛，传统的单一Co合金在某些情况下可能无法满足零部件的使用要求^[11]。目前在Co合金中添加强化相，如陶瓷颗粒、合金元素、固体润滑剂等来改善Co合金的性能已成为国内外学者的研究热点^[12]¹²⁷³³⁵^[13]^100-104^[14]。CHAOPING等^[12]¹²⁷³³⁵进行了激光熔覆WC-Co复合涂层提高钛合金耐磨性的研究，发现在良好的金相结合和显微组织的协同作用下，熔覆层显微硬度达到了基底的4.8倍，并且WC颗粒的细化和均匀分布起到了坚硬的支撑框架作用，可以有效地抑制位错滑移，使涂层的耐磨性能得到了改善。易伟等^[13]^100-104研究了添加NbC对激光熔覆Co基熔覆层磨损性能的影响，发现适当添加NbC可以提高熔覆层的硬度，同时高硬度的NbC颗粒在磨损过程中可以抑制塑性变形并防止涂层进一步磨损，使复合涂层耐磨性得到了很大提升。

NiCrAlY是一种具有良好的高温抗氧化性和力学性能的合金^[15-16]，在高温下涂层会形成致密的富α-Al₂O₃氧化层，通过抑制氧气扩散，防止涂层高温合金的快速降解^[17]。叶宏等^[18]研究了等离子喷涂NiCrAlY+Al₂O₃复合涂层的摩擦学性能，发现Al₂O₃颗粒与基底的结合强度较低，导致添加了Al₂O₃的复合涂层硬度的变化较小，虽然降低了复合涂层在常温下的磨损率，但在400~700 ℃时对磨损率的影响几乎没有。目前将NiCrAlY作为添加相去增强涂层的研究很少，尤其是缺乏NiCrAlY对Co涂层组织及性能影响的研究，因此研究将NiCrAlY作为添加相对Co涂层性能的影响具有重要意义。

本研究采用激光熔覆的方法，在304不锈钢表面熔覆NiCrAlY/Co涂层，以改善304不锈钢的高温摩擦学性能。分析了NiCrAlY/Co涂层截面形貌、物相组成、力学性能，系统测试了涂层与304不锈钢的高温摩擦学性能，并详细阐释了磨损机制。旨在为改善304不锈钢的高温摩擦学性能提供参考。

1　试验部分

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1.1　试样制备

试验选用304不锈钢作为熔覆基底材料，试样尺寸为32 mm×32 mm×5 mm。在熔覆之前，先将基底用砂纸打磨抛光，然后用丙酮清洗。选择纯度为99.9%的Co粉（150~300目）和NiCrAlY粉（150~300目）作为熔覆材料，NiCrAlY粉末的化学成分见表1。NiCrAlY/Co粉末的配比为25∶75。用V型混合机将2种金属粉末混合均匀（转速20 r/min、时间2 h），熔覆前在100 ℃的干燥箱中将混合粉末烘干15 min。

试验采用二氧化碳激光熔覆系统（陕西中美激光科技有限公司）在304不锈钢表面熔覆NiCrAlY/Co涂层，采用同步送粉方式。熔覆工艺如下：激光功率为1 100 W，搭接率为55%，送粉率为9.2 g/min，扫描速度为1 000 mm/min，光斑直径为2 mm，保护气体为Ar气。

将激光熔覆后的试样沿垂直于激光扫描速度方向切割，将试样的截面用砂纸（80目，600目，1 500目）打磨抛光，用王水腐蚀，制备出试样。

1.2　试验方法

采用X射线衍射仪对NiCrAlY/Co涂层的物相组成进行分析，仪器扫描范围为20°~100°，描速度为4（°）/min，采用Cu-K_α靶，电压为40 kV，电流为30 mA；利用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope,SEM）及配备的能谱分析仪（Energy Dispersive Spectroscopy, EDS）分析了涂层和磨损表面的形貌及元素含量；采用HVS-1000Z型维氏硬度计，负载为5 N、保载时间为10 s，从涂层顶部垂直向下测试直至基底，每隔0.1 mm测量一个点位，多次测量，取测量值的平均值作为涂层显微硬度。

采用球-盘式高温摩擦磨损仪（HT-1000）测试304不锈钢与涂层的高温摩擦学性能。试验条件：室温为-800 ℃、负载为10 N、速度为0.2 m/s、摩擦副为Si₃N₄陶瓷球（直径为6 mm）、试验时间为20 min。在试验前，用砂纸打磨涂层。摩擦因数由计算机实时记录，采用Links-2007型表面轮廓仪测量磨损体积（V）。通过磨损体积（V）除以负载（F）和滑动距离（L）得出磨损率。每个试样测量5个不同位置，取测量值的平均值作为磨损率的值。

2　结果与讨论

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2.1　涂层物相组成

图1所示为NiCrAlY/Co涂层的X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）图谱。由图1可知，涂层主要由γ-Co、（Cr，Ni）、AlNi₃相组成。由于Y元素含量较少，涂层中未检测到Y元素相关的衍射峰。γ-Co稳定存在于417 ℃之上，常温下的Co固溶体是面心立方体结构，因为激光熔覆凝固冷却速度较快，高温下涂层中的γ-Co来不及发生相变，所以Co在涂层中以面心立方体结构的γ-Co存在^[19]。此外，Ni具有稳定立方点阵的作用^[20]，因此γ-Co可以在涂层中稳定存在。涂层中固溶相和金属化合物相对涂层的硬度及摩擦学性能的提高有重要作用。

2.2　涂层的截面形貌与元素分析

涂层的截面形貌如图2所示，涂层厚度大约为1.1 mm；涂层组织均匀致密，未发现裂纹，涂层与基底冶金结合。因为激光熔覆凝固速度较快，气体来不及逸散出来，导致涂层中微小气孔的产生^[21]。

图3为NiCrAlY/Co涂层截面的线扫描元素分布图。由图3可知，涂层中Co、Fe、Cr、Ni元素在界面处均有所扩散，且存在着过渡段。Co元素和Ni元素在过渡到基底时含量降低，Fe元素和Cr元素在过渡到基底时含量升高，并且图3中的过渡段较短。这说明，NiCrAlY/Co涂层与304不锈钢基底已经完全熔合，并且涂层稀释率较低^[22]。

2.3　涂层显微硬度

NiCrAlY/Co涂层沿横截面方向的硬度分布如图4所示。由图4可知，基底平均显微硬度为194 HV，NiCrAlY/Co涂层的硬度在290~309 HV，较基底硬度有了较大提高。涂层硬度提高是因为γ-Co^[23]和（Cr，Ni）相的固溶强化。此外，Y元素可以使晶粒细化^[24]，进一步提高涂层硬度。另外，测得的涂层厚度与上述截面分析的厚度一致。

2.4　涂层的摩擦学性能

图5显示了304不锈钢与NiCrAlY/Co涂层在不同温度（室温800 ℃）下的平均摩擦因数。由图5可知，在200 ℃时304不锈钢的摩擦因数达到最大值（0.78），原因是在200 ℃时304不锈钢表面与氮化硅陶瓷球的黏着现象严重，滑动阻力增加^[25]，致使摩擦因数升高；随着温度继续升高；304不锈钢逐渐软化，滑动阻力减小，因此摩擦因数在200~800 ℃逐渐降低，并且在800 ℃时达到最低（0.56）。由室温升高至600 ℃，NiCrAlY/Co涂层的摩擦因数呈降低趋势，并在600 ℃时为最低值（0.50），原因是随温度的升高涂层发生软化，涂层与氮化硅陶瓷球的黏着减轻，并且在600 ℃时涂层产生了不连续的氧化膜，将涂层对磨球摩擦变为氧化膜对磨球摩擦，起到了很好的减摩作用，摩擦因数降低，但在800 ℃时摩擦因数升高，原因是摩擦过程中形成了大面积的剥坑和碎屑，导致摩擦因数上升。对比NiCrAlY/Co涂层与304不锈钢的摩擦因数可以发现，室温下，涂层摩擦因数比304不锈钢高，在200~600 ℃时，涂层摩擦因数比304不锈钢小得多，800 ℃时摩擦因数相当。这说明NiCrAlY/Co涂层起到了很好的减摩效果。

图6所示为304不锈钢与NiCrAlY/Co涂层摩擦因数随温度变化的拟合曲线。可以看出304不锈钢基底摩擦因数随温度变化的关系式为y=Intercept+B₁X¹+B₂X²+B₃X³+B₄X⁴（Intercept=0.75；B₁=4.75×10^-5；B₂=-2.04×10^-6；B₃=7.23×10^-10；B₄=8.68×10^-13）；NiCrAlY/Co涂层摩擦因数随温度变化的公式为y=Intercept+B₁X¹+B₂X²+B₃X³+B₄X⁴（Intercept=0.84；B₁=-1.92×10^-3；B₂=5.45×10^-6；B₃=-8.20×10^-9；B₄=4.80×10^-12）。

304不锈钢与NiCrAlY/Co涂层的磨损率如图7所示。由图7可知，304不锈钢磨损率在200 ℃时略微降低，400~800 ℃时逐渐增大，原因是随着温度的升高，304不锈钢逐渐软化，力学性能下降，抵抗氮化硅陶瓷球入侵的能力下降，导致磨损率增高。涂层磨损率在室温~400 ℃时呈降低趋势，在400 ℃时达到最低［1.91×10^-5 mm³/（N·m）］，是不锈钢基底的1/3；在600~800 ℃又呈上升趋势并在800 ℃时达到最大值［1.07×10^-4 mm³/（N·m）］，是304不锈钢基底的2/5，在600 ℃和800 ℃时涂层发生氧化，但是氧化速率小于磨损的去除效率，导致涂层磨损率上升^[26]，这也与高温下涂层软化有关。NiCrAlY/Co涂层在室温~800 ℃下磨损率较304不锈钢基底明显降低。这表明NiCrAlY/Co涂层具有优异的高温摩擦学性能。在304不锈钢表面制备NiCrAlY/Co涂层，可以显著改善304不锈钢的高温摩擦学性能。

图8所示为304不锈钢与NiCrAlY/Co涂层磨损率随温度变化的拟合曲线。由图8可知，304不锈钢基底磨损率随温度变化的关系式为y=Intercept+B₁X¹+B₂X²+B₃X³+B₄X⁴（Intercept=6.02；B₁=3.50×10^-2；B₂=2.13×10^-4；B₃=-4.69×10^-7；B₄=3.73×10^-10）；NiCrAlY/Co涂层磨损率随温度变化的关系式为y=Intercept+B₁X¹+B₂X²+B₃X³+B₄X⁴（Intercept=4.12；B₁=1.50×10^-2；B₂=-1.43×10^-4；B₃=2.88×10^-7；B₄=-1.50×10^-10）。

2.5　磨损机制分析

图9显示了室温下304不锈钢和NiCrAlY/Co涂层的磨损表面形貌。304不锈钢磨损表面存在黏着剪切层、磨屑和犁痕，表明304不锈钢的磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损。在高硬度的氮化硅陶瓷球连续剪切应力作用下，犁出碎屑颗粒，这些碎屑颗粒在摩擦过程中聚集形成磨粒，磨粒切削表面形成犁痕。可以看到，涂层磨损表面存在的磨屑和黏着剪切层减少，这表明涂层磨损程度降低。这是因为涂层的硬度高，较高的硬度会在摩擦过程中抵抗Si₃N₄陶瓷球的侵入，防止进一步磨损。涂层的磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损。

图10显示了400 ℃下304不锈钢和NiCrAlY/Co涂层磨损后的表面形貌。304不锈钢磨损表面覆盖着大量的磨屑，剥落减少，伴随着温度的升高出现了轻微的塑性变形，磨损机制仍为磨粒磨损和黏着磨损。可以看出，NiCrAlY/Co涂层磨损表面较304不锈钢磨损表面要平滑很多，磨损表面依然存在少量的分层、犁痕和剥落。涂层的磨损机制为磨粒磨损和轻微的黏着磨损，这与摩擦因数降低相对应。

图11显示了800 ℃下304不锈钢和NiCrAlY/Co涂层磨损后的表面形貌。304不锈钢磨损表面氧化膜发生了大面积的断裂和脱落，塑性变形严重。这也是磨损率急剧上升的原因，表明304不锈钢在800 ℃时摩擦学性能骤减，磨损机制为氧化磨损和塑性变形。NiCrAlY/Co涂层磨损表面出现了剥坑、裂纹、明显的塑性变形和平行的犁痕。出现剥坑的原因是对磨球与涂层磨损表面的黏附力较大，在交变应力作用下，一部分氧化膜破裂，被带离磨损表面，导致剥落凹坑的形成，并且可以看到剥坑里面存在大量的磨屑，剥坑和磨屑导致磨损加剧，与图5中800 ℃下NiCrAlY/Co涂层摩擦因数升高相对应。结合磨损表面的EDS（图12）和磨损表面的XRD（图13）可以发现，O元素含量最高，说明磨损表面被氧化，且氧化膜由Al₂O₃、Cr₂O₃、Co₃O₄、NiO、NiCr₂O₄和CoCr₂O₄等氧化物组成，但是由于氧化速率小于磨损去除速率，导致氧化膜不连续，这也与上述磨损率上升相对应，涂层的磨损机制为氧化磨损。

3　结论

收起

通过以上分析，得出以下主要结论：

1）采用激光熔覆技术在304不锈钢表面制备了高温抗磨NiCrAlY/Co涂层，涂层厚度大约为1.1 mm，由γ-Co、（Cr，Ni）和AlNi₃相组成，涂层硬度为303 HV，约为基底的1.6倍，涂层形貌良好，与基底呈良好的冶金结合。

2）随温度升高，304不锈钢基底摩擦因数先升高后降低，涂层摩擦因数先降低后升高；在200~600 ℃时涂层摩擦因数更小，800 ℃时摩擦因数相当，并且涂层在600 ℃时摩擦因数最低（0.5）；随温度升高，304不锈钢基底与涂层磨损率先降低后升高，且室温~800 ℃时涂层的磨损率更低，且涂层在400 ℃时磨损率最低［1.91×10^-5 mm³/（N·m）］，约为基底的1/3，表明NiCrAlY/Co涂层显著改善了304不锈钢在室温~800 ℃下的摩擦学性能。

3）室温~400 ℃，304不锈钢的磨损机制是磨粒磨损和黏着磨损，涂层的磨损机制是磨粒磨损和逐渐减轻的黏着磨损；高温下，304不锈钢的磨损机制为氧化磨损和塑性变形，涂层的磨损机制为氧化磨损。

基金

收起

国家自然科学基金项目(51775365; U1910212)
山西省基础研究计划项目(202303021211163)
山西省回国留学人员科研项目(2021-060)

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2025年第47卷第8期

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doi: 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.08.004

接收时间：2023-12-05
首发时间：2026-03-19
出版时间：2025-08-15

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出版历史

收稿日期：2023-12-05

基金

National Natural Science Foundation of China(51775365; U1910212)

国家自然科学基金项目(51775365; U1910212)

Fundamental Research Program of Shanxi Province(202303021211163)

山西省基础研究计划项目(202303021211163)

Research Project of Shanxi Scholarship Council of China(2021-060)

山西省回国留学人员科研项目(2021-060)

作者信息

^1.太原理工大学机械与运载工程学院，太原　030024

^2.山西省矿山流体控制工程实验室，太原　030024

^3.矿山流体控制国家地方联合工程实验室，太原　030024

通讯作者:

崔功军，男，1981年生，山东淄博人，博士，教授；主要研究方向为机械摩擦学及表面技术；E-mail：cuigongjun@tyut.edu.cn。

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/jxqd/CN/10.16579/j.issn.1001.9669.2025.08.004

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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